(57)【要約】【課題】樹脂フィルム巻回積層体からなるスターリング機関用再生器において、樹脂フィルムの厚さの最適範囲を見いだすことにより、再生器の性能を最大限に引き出す。【解決手段】スターリング機関１はピストン１２及びディスプレーサ１３により圧縮空間４５と膨脹空間４６の間で作動ガスを行き来させる。これにより高温側伝熱ヘッド４０は加熱され、低温側伝熱ヘッド４１は冷却される。圧縮空間４５と膨脹空間４６の間に配置される再生器７０は、所定の層間間隙を形成する形で樹脂フィルム７２を巻回した樹脂フィルム巻回積層体７３からなる。樹脂フィルム７２のフィルム厚は２３μｍ近傍から３８μｍ近傍に設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスとの間で熱を授受するスターリング機関用再生器において、
所定の層間間隙を形成する形で樹脂フィルムを巻回した樹脂フィルム巻回積層体からなり、フィルム厚を２３μｍ近傍から３８μｍ近傍に設定したことを特徴とするスターリング機関用再生器。
【請求項２】
２３μｍから３８μｍまでの厚さの樹脂フィルムで樹脂フィルム巻回積層体を形成することを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関用再生器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の再生器を搭載したことを特徴とするスターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリング機関用再生器及びこれを用いるスターリング機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング機関は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素などを作動ガスとして用いるので、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。冷凍機として用いるスターリング機関では、リニアモータなどの動力源によりピストンを往復運動させ、このピストンに対しディスプレーサを、所定の位相差をもって同期往復運動させる。ピストンとディスプレーサは圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを行き来させる。圧縮空間では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では作動ガスの温度が低下する。圧縮空間（高温空間）の熱を高温伝熱ヘッドを通じて放熱して等温圧縮変化を実現し、外部の熱を低温伝熱ヘッドを通じ膨脹空間（低温空間）に吸収して等温膨張変化を実現すれば、逆スターリングサイクルが形成される。
【０００３】
スターリング機関では、圧縮空間と膨脹空間の間に配置された再生器が重要な役割を果たす。再生器は、圧縮空間から流れ出た高温の作動ガスから熱を受け取り蓄える（蓄熱）、膨脹空間から流れ出た低温の作動ガスにその熱を伝える（伝熱）という、蓄熱手段及び伝熱手段としての役割を担うものである。再生器には、蓄熱量が大きいことの他、作動ガスとの間で熱を素速く授受できる、すなわち伝熱性が良いことと、作動ガスの流動を極力妨げないことが求められる。
【０００４】
上記要請に応え、また安価で容易に製作できる再生器として、樹脂フィルムの積層体からなる再生器が開発されている。その例を特許文献１−４に見ることができる。
【０００５】
樹脂フィルムを巻回積層する再生器では、樹脂フィルムの表面に突起を形成して作動ガスの通る層間間隙を確保する。特許文献１記載の再生器では樹脂フィルムにニードルプレスを押し当てて突起部を形成している。特許文献２記載の再生器では、樹脂フィルムに打針を突き立てて小凸部を形成している。特許文献３にはプレス機やレーザービームで樹脂フィルムに突起部を形成する手法が開示されている。特許文献４には、再生器フィルムの表面に凸部を形成するための第１基体および第２基体に、フォトリソグラフィーで所定の凹凸を形成する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２１４１２号公報（［００２３］、図２、３）
【特許文献１】特開２００３−１６６４４２号公報（［００１２］−［００１９］、［００２１］［００２２］、図１―２）
【特許文献３】特開２００３−２２２４２２号公報（［００８６］［００８７］、［０１０９］［０１１０］、［０１１３］−［０１１６］、［０１１８］−［０１２０］、図１、２、１３−１８）
【特許文献４】特開２００３−２３２５７４号公報（［００４２］−［００４８］、［００５１］−［００５７］、図１、２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のようにスターリング機関用再生器には、作動ガスの熱エネルギーを蓄える蓄熱性と、蓄えられた熱エネルギーを速やかに放熱する伝熱性の両方が要求される。樹脂フィルムを材料とする再生器の場合、一般的にフィルムが厚くなると質量が増し、蓄熱性が高まる。反面、巻かれるフィルムの長さが短くなり、作動ガスとの接触面積が減少するので、伝熱性は低下する。逆にフィルムを薄くした場合、巻かれるフィルムの長さが長くなって作動ガスとの接触面積が増大し、伝熱性が向上するが、質量は減少し、蓄熱性が低下する。このように樹脂フィルムの厚さは再生器の性能、ひいてはスターリング機関の性能を左右する重要な要件であるにもかかわらず、これまでのところ最適範囲として解析された結果はなかった。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、樹脂フィルム巻回積層体からなるスターリング機関用再生器において、樹脂フィルムの厚さの最適範囲を見いだすことにより、再生器の性能を最大限に引き出すことを目的とする。そして、かかる再生器を搭載することにより、性能を向上させ得たスターリング機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するために本発明は、圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスとの間で熱を授受するスターリング機関用再生器において、所定の層間間隙を形成する形で樹脂フィルムを巻回した樹脂フィルム巻回積層体からなり、フィルム厚を２３μｍ近傍から３８μｍ近傍に設定したことを特徴としている。
【０００９】
この構成によると、高い性能水準のスターリング機関用再生器を得ることができる。        
【００１０】
（２）また本発明では、上記構成のスターリング機関用再生器において、２３μｍから３８μｍまでの厚さの樹脂フィルムで樹脂フィルム巻回積層体を形成することを特徴としている。
【００１１】
この構成によると、高い性能水準のスターリング機関用再生器を確実に得ることができる。
【００１２】
（３）また本発明は、上記のいずれかの再生器を搭載したスターリング機関であることを特徴としている。
【００１３】
この構成によると、高性能の再生器を使用することにより、スターリング機関の能力あるいは運転効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、樹脂フィルムの厚さを適切な値に設定することにより、再生器の性能を高め、スターリング機関を高性能化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
最初に、本発明再生器の使用対象であるスターリング機関の構造を図１に基づき説明する。図１はスターリング機関の断面図である。
【００１６】
スターリング機関１は冷凍機として用いられるフリーピストンタイプのものであり、その組立の中心となるのはシリンダ１０、１１である。シリンダ１０、１１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１０にはピストン１２が挿入され、シリンダ１１にはディスプレーサ１３が挿入される。ピストン１２及びディスプレーサ１３は、スターリング機関１の運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダ１０、１１の内壁に接触することなく往復運動する。ピストン１２とディスプレーサ１３は所定の位相差を備えて動く。
【００１７】
ピストン１２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ１４が固定される。ディスプレーサ１３の一方の端からはディスプレーサ軸１５が突出する。ディスプレーサ軸１５はピストン１２及びマグネットホルダ１４を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。
【００１８】
シリンダ１０はピストン１２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ２０を保持する。リニアモータ２０は、コイル２１を備えた外側ヨーク２２と、シリンダ１０の外周面に接するように設けられた内側ヨーク２３と、外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット２４と、外側ヨーク２２を囲む管体２５と、外側ヨーク２２、内側ヨーク２３、及び管体２５を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット２６、２７とを備える。マグネット２４はマグネットホルダ１４に固定されている。
【００１９】
マグネットホルダ１４のハブの部分にはスプリング３０の中心部が固定される。ディスプレーサ軸１５にはスプリング３１の中心部が固定される。スプリング３０、３１の外周部はエンドブラケット２７に固定される。スプリング３０、３１の外周部同士の間にはスペーサ３２が配置されており、これによりスプリング３０、３１は一定の距離を保つ。スプリング３０、３１は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ１３をピストン１２に対し所定の位相差（一般的には約９０゜の位相差）をもたせて共振させる役割を果たす。
【００２０】
シリンダ１１のうち、ディスプレーサ１３の動作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１が配置される。高温側伝熱ヘッド４０はリング状、低温側伝熱ヘッド４１はキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。高温側伝熱ヘッド４０の内周面にはリング状の高温側内部熱交換器４２が装着され、低温側伝熱ヘッド４１の内周面には同じくリング状の低温側内部熱交換器４３が装着される。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１に伝える。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３は、例えば銅や銅合金の薄板をコルゲート加工し、圧縮する等して形成することができる。
【００２１】
高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１はこのように高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を介在させた形でシリンダ１１の外側に支持される。そして高温側伝熱ヘッド４０にはシリンダ１０及び圧力容器５０が連結される。
【００２２】
高温側伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及び高温側内部熱交換器４２で囲まれる環状の空間は圧縮空間４５となる。低温側伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサ１３、及び低温側内部熱交換器４３で囲まれる空間は膨張空間４６となる。
【００２３】
高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３の間には再生器７０が配置される。再生器７０の構造は後で詳述する。再生器７０の外側を再生器チューブ４８が包み、高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１の間に気密通路を構成する。再生器チューブ４８は、例えばステンレス鋼で形成することができる。
【００２４】
リニアモータ２０、シリンダ１０、及びピストン１２を覆う筒状の圧力容器が胴体部５０を形成する。胴体部５０の内部は背圧空間５１となる。
【００２５】
胴体部５０の構造は次のようになっている。すなわち胴体部５０は、高温側伝熱ヘッド４０に接合されるリング状部５２と、このリング状部５２に接合されるキャップ状部５３とに２分割されている。リング状部５２、キャップ状部５３ともステンレス鋼製である。リング状部５２の一端はテーパ状に絞り込まれ、高温側伝熱ヘッド４０にロウ付けされる。キャップ状部５３はパイプの内面に鏡板５３ａを溶接した構造である。
【００２６】
リング状部５２の他端と、これに向かい合うキャップ状部５３の開口端には、フランジ形状部５４、５５が設けられる。フランジ形状部５４、５５はいずれもステンレス鋼製のリングをリング状部５２とキャップ状部５３に溶接して形成されるものであり、最終的にはフランジ形状部５４、５５を溶接して密閉状態の胴体部５０を形成する。
【００２７】
胴体部５０には、リニアモータ２０に電力を供給するための端子部２８と、内部に作動ガスを封入するためのパイプ５０ａが配置される。これらはいずれもキャップ状部５３の外周面から放射方向に突出するように設けられる。
【００２８】
胴体部５０には振動抑制装置６０が取り付けられる。振動抑制装置６０は、胴体部５０に固定されるベース６１と、ベース６１に支持される板状のスプリング６２と、スプリング６２に支持されるバランスウェイト６３とから成る。
【００２９】
スターリング機関１は次のように動作する。リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給すると外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間にマグネット２４を貫通する磁界が発生し、マグネット２４は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン１２、マグネットホルダ１４、マグネット２４、及びスプリング３０）の総質量と、スプリング３０のバネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。
【００３０】
ディスプレーサ系（ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及びスプリング３１）にあっては、その総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数がピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定する。
【００３１】
ピストン１２の往復運動により、圧縮空間４５では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ１３も往復運動を行う。このとき、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ１３とピストン１２との間には位相差が生じる。このようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ１３はピストン１２と所定の位相差を有して同期して振動する。
【００３２】
上記の動作により、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間に逆スターリングサイクルが形成される。圧縮空間では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間４６では作動ガスの温度が低下する。このため、圧縮空間４５の温度は上昇し、膨張空間４６の温度は下降する。
【００３３】
運転中に圧縮空間４５と膨張空間４６の間を行き来する作動ガスは、高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を通過する際に、その有する熱を高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を通じて高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１に伝える。圧縮空間４５から再生器７０へ流れ込む作動ガスは高温であるため高温側伝熱ヘッド４０は加熱され、高温側伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から再生器７０へ流れ込む作動ガスは低温であるため低温側伝熱ヘッド４１は冷却され、低温側伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。高温側伝熱ヘッド４０より熱を大気へ放散し、低温側伝熱ヘッド４１で特定空間の温度を下げることにより、スターリング機関１は冷凍機関としての機能を果たす。
【００３４】
再生器７０は、圧縮空間４５と膨張空間４６の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間４５から高温側内部熱交換器４２を経て再生器７０に入った高温の作動ガスは、再生器７０を通過するときにその熱を再生器７０に与え、温度が下がった状態で膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から低温側内部熱交換器４３を経て再生器７０に入った低温の作動ガスは、再生器７０を通過するときに再生器７０から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間４５に流入する。すなわち再生器７０は蓄熱手段としての役割を果たす。
【００３５】
ピストン１２とディスプレーサ１３が往復運動し、作動ガスが移動すると、スターリング機関１に振動が生じる。振動抑制装置６０がこの振動を抑える。
【００３６】
続いて再生器７０の構成を図２、３に基づき説明する。図２は再生器の断面図、図３は巻回した樹脂フィルムの斜視図である。
【００３７】
再生器７０の組立の基礎となるのは円筒形の巻芯７１である。巻芯７１はシリンダ１１の外周面に対ししまりばめとなる内径を有する。巻芯７１の材料は、作動ガスのもたらす温熱又は冷熱に耐えて長期間使用できるものであれば何でもよいが、強度、断熱性、製造コスト等を総合判断すれば、合成樹脂を選択するのが現実的である。巻芯７１は必須のものではなく、シリンダ１１に直接樹脂フィルム７２を巻回する構成も可能である。
【００３８】
巻芯７１の外周面に樹脂フィルム７２を巻回し、樹脂フィルム巻回積層体７３を形成する。樹脂フィルム７２としては、ＰＥＴ、ポリイミド、ポリスチレン、ナイロン、ＰＴＦＥ、ＰＢＴ等のフィルムが使用可能である。樹脂フィルム巻回積層体７３の層間に作動ガスを通す間隙を確保するため、樹脂フィルム７２の表面には片面に突起７４が点在している。
【００３９】
突起７４を形成するにあたっては様々な手法が採用可能である。図４に突起形成装置の一例を示す。図４の突起形成装置１００は、フィルムフィーダ１０１から繰り出した樹脂フィルム７２にプレス機１１０で突起を形成し、突起形成後の樹脂フィルムをフィルムワインダ１０２で巻き取る。フィルムフィーダ１０１からフィルムワインダ１０２までの各所には送りローラ１０３、１０４、１０５が配置され、樹脂フィルム７２に所定の間欠送りを与える。送りローラ１０３、１０４、１０５はそれぞれ２本一組で樹脂フィルム７２を上下から挟む。
【００４０】
プレス機１１０は、樹脂フィルム７２を下から支えるプラテン１１１と、プラテン１１１に支えられた樹脂フィルム７２に対し所定タイミングで上方より接近するラム１１２を備える。ラム１１２の下面からは複数のニードルピン１１３が突出する。ニードルピン１１３は樹脂フィルム７２の送り方向と直交する方向に一列に並ぶ。プラテン１１１にはニードルピン１１３に対応する位置に孔が設けられており、ニードルピン１１３が降下するとその孔の中に樹脂フィルム７２が押し込まれ、突起７４が形成されることになる。
【００４１】
送りローラ１０４と送りローラ１０５の間にはレベリングブロック１１５が配置される。レベリングブロック１１５は上ブロック１１５ａと下ブロック１１５ｂを所定間隔で向かい合わせに配置したものであり、突起形成後の樹脂フィルム７２を上ブロック１１５ａと下ブロック１１５ｂの間に通すことにより、突起７４の高さが一定に揃う。樹脂フィルム巻回積層体７３の層間間隙を均一にするため、このような処理を行う。
【００４２】
上記構造の再生器において、樹脂フィルムの厚さを異ならせた複数の試作品を製作し、それらを図１に示す構造のスターリング機関に組み付けて冷凍能力を評価した結果を図５に示す。評価に使用したスターリング機関は、作動ガスがＨｅ、平均ガス圧が約３．２ＭＰａ、最大シリンダ容積９０ｃｍ3、シュミット理論上の図示仕事は約１．４Ｊ／cycl、図示出力は約１００Ｗクラス、のものである。再生器の樹脂フィルムはＰＥＴ、再生器の作動ガスの流れ方向の幅は５５ｍｍである。再生器の種類は、樹脂フィルムの厚さが５０μｍのもの、同じく３８μｍのもの、同じく２３μｍのもの、同じく１２μｍのもの、の４種類とした。ちなみに従来は５０μｍ以上の厚さの樹脂フィルムが使用されることが多かった。
【００４３】
上記４種類の再生器を搭載したスターリング機関の冷凍能力ＣＯＰをグラフにプロットしたところ、図５のようになった。性能は、樹脂フィルム厚５０μｍの再生器を搭載したスターリング機関の冷凍能力ＣＯＰを１００としたとき、それ以外の種類の再生器を搭載した下―リング機関の冷凍能力ＣＯＰがどのような数値を示すかにより評価した。図に見られるように、樹脂フィルム厚３８μｍの再生器と樹脂フィルム厚２３μｍの再生器を搭載したスターリング機関は、樹脂フィルム厚５０μｍや樹脂フィルム厚１２μｍの再生器を搭載したスターリング機関よりも明らかに高い性能を示す。なお樹脂フィルム巻回積層体の層間間隙の平均値は、樹脂フィルム厚３８μｍの場合９０μｍ〜８０μｍ、樹脂フィルム厚２３μｍの場合８５μｍ〜７５μｍとした。これは、作動ガスが再生器を通過する際の圧損を一定化するための措置である。
【００４４】
図５より、スターリング機関の冷凍能力を最大限に引き出すためには、再生器の樹脂フィルム巻回積層体を形成する樹脂フィルムの厚さを２３μｍ近傍から３８μｍ近傍とすることが好ましいと結論づけられる。２３μｍから３８μｍまでの範囲であれば高い冷凍能力ＣＯＰを確実に享受できる。
【００４５】
樹脂フィルム厚１２μｍの場合、突起７４の強度が弱くなり、またフィルムに腰がないため、再生器の外径精度が悪くなり、スターリング機関に挿入することが困難になる。挿入できたとしても外径が変形して再生器チューブとの間に間隙が生じたりする。これも性能劣化の原因の一つである。
【００４６】
以上本発明の実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、スターリング機関全般に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】スターリング機関の断面図
【図２】再生器の断面図
【図３】樹脂フィルム巻回積層体の斜視図
【図４】樹脂フィルムに突起を形成する装置の概略図
【図５】再生器の種類を異ならせたスターリング機関の性能評価グラフ
【符号の説明】
【００４９】
１    スターリング機関
１０、１１  シリンダ
１２  ピストン
１３  ディスプレーサ
２０  リニアモータ
４０  高温側伝熱ヘッド
４１  低温側伝熱ヘッド
４５  圧縮空間
４６  膨脹空間
７０  再生器
７１  巻芯
７２  樹脂フィルム
７３  樹脂フィルム巻回積層体
７４  突起
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007198689.tif 000006
【図５】
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